Espectrógrafo ESPRESSO mede constante fundamental do Universo

Espectro obtido pelo ESPRESSO da região onde a absorção causada pela nebulosa, na linha de visão entre a Terra e o quasar HE 0514-4414, permite a medição da constante de estrutura fina. (Crédito: (Gráfico) Murphy et.al, 2021 ; (imagem de fundo) John Colosimo (colosimophotography.com)/ESO))

O espectrógrafo de alta resolução ESPRESSO, montado no Very Large Telescope do Observatório Europeu do Sul, foi recentemente usado para medir a constante de estrutura fina, uma das constantes fundamentais do Universo. Este trabalho contou com a participação de vários investigadores do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço.

Será que as leis que regem o Universo foram as mesmas em todo lado e durante toda a vida do Universo, ou será que podem variar? Porque é que a gravidade é muito mais fraca do que o eletromagnetismo?

Para tentar responder a estas perguntas, uma equipa internacional1, que conta com a participação de vários investigadores do Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço (IAstro2), usou o espectrógrafo ESPRESSO3, para medir com alta resolução a constante de estrutura fina, ou alfa (𝛂). Instalados no Observatório do Paranal do ESO, o ESPRESSO alia a sua estabilidade única ao incrível poder coletor do Very Large Telescope (VLT). Os resultados4 foram publicados hoje na revista Astonomy & Astrophysics.

Imagem do Observatório do Paranal. (Crédito: John Colosimo (colosimophotography.com)/ESO)

Carlos Martins (IAstro & Universidade do Porto), coautor do artigo e investigador responsável pelo projeto CosmoESPRESSO do IAstro, explica que: “As constantes fundamentais do Universo, como 𝛂, são vitais para a compreensão do funcionamento do Universo, mas não se sabe porque é que têm o valor que têm, se tiveram sempre o mesmo valor ao longo da História do Universo ou se variam de local para local.”

Michael Murphy (Centre for Astrophysics and Supercomputing, Swinburne University of Technology & Institute for Fundamental Physics of the Universe), o primeiro autor do artigo, comenta: “Isto é um mistério, no centro de tudo o que conhecemos acerca do funcionamento da Natureza. Só podemos afirmar que estas grandezas são constantes, porque nas nossas medições nunca detetámos uma que variasse”.

Martins acrescenta: “Algumas teorias, que vão para além do modelo standard, sugerem que a constante de estrutura fina pode variar com o tempo ou o espaço, por isso nas últimas  décadas foram feitas centenas de medições de 𝛂, algumas das quais que pareciam indicar que, ao longo dos milhares de milhões de anos do Universo, esta teria variado em cerca de 10 partes por milhão. No entanto, não se sabia se essas variações eram apenas resultado da limitada resolução dos instrumentos usados”.

“Enquanto físicos, queremos sempre descobrir algo que não é explicável pelo conhecimento atual, porque temos de aprender algo de novo. Neste caso, queremos descobrir se alfa varia ou não. Se variar, irá moldar a física das próxima décadas. Mas estes limites superiores mais rígidos também ajudam a compreender melhor um dos maiores mistérios da cosmologia moderna: O que é a Energia Escura, um dos objetivos da equipa CosmoESPRESSO.”
Carlos Martins

Verificar se estas constantes são, de facto, verdadeiramente constantes, são um verdadeiro teste aos fundamentos da física atual, mas era necessário fazer medições com instrumentos de alta precisão, como o ESPRESSO. A equipa usou este espectrógrafo para medir 𝛂, que depende da carga do eletrão (e), da constante de Planck (h) e da velocidade da luz (c), e por isso pode ser usado como medida da força eletromagnética, uma das quatro forças fundamentais5 do Universo.

Espectro obtido pelo ESPRESSO da região onde a absorção causada pela nebulosa, na linha de visão entre a Terra e o quasar HE 0514-4414, permite a medição da constante de estrutura fina. (Crédito: Murphy et.al, 2021)

Ao observar a luz de um quasar distante, que atravessou uma nebulosa de absorção na nossa linha de visão, a equipa descobriu que, há 8,4 mil milhões de anos, a força eletromagnética nessa nebulosa era a mesma que hoje se mede na Terra.

Imagem em luz branca, centrada no Quasar HE0515-4414, obtida pelo espectrógrafo MUSE, instalado no VLT (ESO). (Crédito: Bielby et. al, 2016)

Paolo Molaro (INAF – Osservatorio Astronomico di Trieste & Institute for Fundamental Physics of the Universe), o coordenador deste projeto, explica que o ESPRESSO “é um espectrógrafo ‘super-estável’, montado numa câmara de vácuo, num laboratório isolado, debaixo dos quatro telescópios do VLT. O espectro do nosso quasar também foi calibrado com a ‘régua de cor’ do ESPRESSO – um pente laser de frequências que nos permite saber, com muito mais precisão do até aqui, o comprimento de onda da luz em qualquer ponto do espectro”. Isto permitiu à equipa medir a constante de estrutura fina com uma precisão de 1,3 partes por milhão, a mais exata medição de 𝛂 alguma vez feita.

Estes resultados, que servem agora de base para medições com os instrumentos da próxima geração, como o espectrógrafo HIRES, que será montado no Extremely large Telescope (ELT) do ESO, demonstram que a precisão dos resultados está apenas limitada pela quantidade de luz que se consegue coletar – algo que vai aumentar consideravelmente com o espelho modular de 39,3 metros do ELT.

Notas

  1. A equipa é constituida por: Michael T. Murphy, Paolo Molaro, Ana C. O. Leite, Guido Cupani, Stefano Cristiani, Valentina D’Odorico, Ricardo Génova Santos, Carlos J. A. P. Martins, Dinko Milakovic, Nelson J. Nunes, Tobias M. Schmidt, Francesco A. Pepe, Rafael Rebolo, Nuno C. Santos, Sérgio G. Sousa, Maria-Rosa Zapatero Osorio, Manuel Amate, Vardan Adibekyan, Yann Alibert, Carlos Allende Prieto, Veronica Baldini, Willy Benz, François Bouchy, Alexandre Cabral, Hans Dekker, Paolo Di Marcantonio, David Ehrenreich, Pedro Figueira, Jonay I. González Hernández, Marco Landoni, Christophe Lovis, Gaspare Lo Curto, Antonio Manescau, Denis Mégevand, Andrea Mehner, Giuseppina Micela, Luca Pasquini, Ennio Poretti, Marco Riva, Alessandro Sozzetti, Alejandro Suárez Mascareño, Stéphane Udry e Filippo Zerbi.
  2. O Instituto de Astrofísica e Ciências do Espaço é a instituição de referência na área em Portugal, integrando investigadores da Universidade de Lisboa, Universidade de Coimbra e Universidade do Porto, e englobando a maioria da produção científica nacional na área. Foi avaliado como “Excelente” na última avaliação de unidades de investigação e desenvolvimento organizada pela Fundação para a Ciência e Tecnologia (FCT). A atividade do IA é financiada por fundos nacionais e internacionais, incluindo pela FCT/MCES (UIDB/04434/2020 e UIDP/04434/2020).
  3. O ESPRESSO (Echelle SPectrogaph for Rocky Exoplanet and Stable Spectroscopic Observations) é um espectrógrafo de alta resolução, instalado no observatório VLT (ESO). Foi construído com o objetivo de procurar e detetar planetas parecidos com a Terra, capazes de suportar vida e testar a estabilidade das constantes fundamentais do Universo. Para tal, consegue detetar variações de velocidade de cerca de 0,3 km/h
  4. O artigo “Fundamental physics with ESPRESSO: Precise limit on variations in the fine-structure constant towards the bright quasar HE0515-4414.”, foi hoje publicado online na revista Astronomy & Astrophysics (DOI: 10.1051/0004-6361/202142257).
  5. As quatro forças fundamentais do Universo são a gravidade, o eletromagnetismo, a força nuclear forte (a interação entre quarks e gluões no núcleo atómico) e a força nuclear fraca (responsável pelo decaimento radioativo).

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